【正文】 會(huì)突然增加。給人民的生命、國家的財(cái)產(chǎn)都帶來了極大的威脅。井下自動(dòng)排水系統(tǒng)的任務(wù)就是把流入井下煤礦巷道中的礦井積水排送至地表。井下排水設(shè)備所配備電機(jī)的功率，小的幾千 瓦到幾十千瓦，大的幾百千瓦到上千千瓦、在我國煤炭行業(yè)中，井下排水用電量占原煤生產(chǎn)總耗電量的18%41%，一般為 20%左右。 礦井排水系統(tǒng)的組成部分 井下排水系統(tǒng)一般采用離心式水泵，一些小型煤礦或淺水井 臨時(shí)排水系統(tǒng)也采用潛水泵。 ① 濾水器和底閥 濾水器安裝在吸水管的下端，插入吸水井下面，不得低于 。在濾水器內(nèi)裝有舌型底閥，其作用是使灌入水泵和吸水管中的引水，以及停泵后的存水不致漏掉。 ②閘閥 調(diào)節(jié)閘閥安裝在靠近水泵排水管上方的排水管路上，位于逆止閥的下方。 調(diào)節(jié)閘閥的 優(yōu)點(diǎn)是流動(dòng)阻力和關(guān)閉壓力較小，安裝時(shí)無方向性， 能夠方便地來調(diào)節(jié)水泵的流量和揚(yáng)程等。 放水閘閥安裝在調(diào)節(jié)閘閥上方的排水管路的放水管上，其作用 為檢修排水管路時(shí)放水用。 ④ 灌引水漏斗、放氣栓和旁通管 灌引水漏斗是在水泵初次 起動(dòng)時(shí)，向水泵和吸水管中灌引水 用。 當(dāng)排水管中有存水時(shí)，也可通過旁通管向水泵和吸水管中灌引 水，此時(shí)要將旁通管上的閥門打開。 ⑤ 壓力表和真空表 壓力表安裝在水泵的排水接管上，為檢測(cè)排水管中水壓大小用。表殼的公稱直徑有 60mm,100mm,150mm,200mm 和 250mm五種。 真空表安裝在水泵的吸水接管上，為檢 測(cè) 吸水管的真空度用。表殼的公稱直徑和壓力表一樣，也分為 60, 100, 150， 和 250mm 五種。 ⑥ 射流泵或真空泵 離心式水泵在起動(dòng)前必須將吸水管和泵腔內(nèi)注滿水才能進(jìn)入運(yùn) 行狀態(tài)，否則水泵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將無法吸水， 形成“干燒”，嚴(yán)重影響水泵的使用壽命。如圖 12 所示。 井下排水系統(tǒng)存在的問題 目前，我國大多煤礦企業(yè)的井下水泵房使用的仍然是傳統(tǒng)的人工操作排水系統(tǒng)，以離心式水泵系統(tǒng)為主。 當(dāng)水倉水位到達(dá)設(shè) 定的高水位時(shí)，工人打開射流泵 (或真空 泵 )，為水泵抽真空，同時(shí) 觀測(cè)真空表的讀數(shù)。當(dāng)水泵出水口壓力表讀數(shù)達(dá)到要求時(shí)，開起閘閥進(jìn)行排水，同時(shí)關(guān)閉抽真空的射流泵 (或真空泵 )。當(dāng)水倉積水降至低水位時(shí)，先將 閘閥關(guān)死，再停水泵機(jī)組。 其存在的問題有如下幾點(diǎn)： ① 效率低、可靠性差。另外， 對(duì)水位、涌水量大小等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的判斷依賴于工人的經(jīng)驗(yàn)。 ② 工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。尤其是 閘閥的操作，勞動(dòng)量最大。 排水系統(tǒng) 為何要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制 針對(duì)上述排水系統(tǒng)存在的問題，本文提出了基于 PLC 的礦井主排水自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 PLC 將水泵機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)與參數(shù)經(jīng)安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳至地面生產(chǎn)調(diào)度監(jiān)控中心主機(jī)，管理人 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁 員在地面即可掌握井下主排水系統(tǒng)設(shè)備的所有檢測(cè)數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)，又可根據(jù)自動(dòng)化控制信息，實(shí)現(xiàn)井下主排水系統(tǒng)的遙測(cè)、遙控。隨著控制理論 和現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)排水系統(tǒng)的研究在理論和實(shí)踐上都取得了一定進(jìn)步。所以靠人工檢測(cè)的方法已不適應(yīng)煤炭發(fā)展的需要，取而代之的是自動(dòng)化排水系統(tǒng)。由于礦井排水系統(tǒng)屬于多變量、非線性、時(shí)變的復(fù)雜系統(tǒng)，特別是在管道和水泵等環(huán)節(jié)中，各變量之間又存在著交叉，因此礦井排水系統(tǒng)非常適合于采用模糊控制的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。 目前， PLC 在國內(nèi)外工業(yè)控制中已獲得廣泛應(yīng)用，在礦井排 水系統(tǒng)中，采用 PLC自動(dòng)監(jiān)測(cè)排水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)記錄、故障報(bào)警、事故分析、多臺(tái)水泵啟動(dòng)的自動(dòng)切換等，所得到的動(dòng)態(tài)資料準(zhǔn)確性高，控制的可靠性高。這些運(yùn)行狀態(tài)經(jīng)過系統(tǒng)中央處理單元的分析和運(yùn)算后，做出判斷并顯示給集中監(jiān)控室。 (1)水倉水位 的檢 測(cè) (2)水泵流量的 檢 測(cè) (3)水泵壓力檢測(cè) (4)水泵負(fù)壓檢測(cè) (5)電機(jī)及水泵溫度檢測(cè) 水倉水位的檢測(cè) 液位傳感器介紹 一、超聲波液位傳感器 超聲波液位傳感器是利用超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性而制成的。根據(jù)發(fā)射和接受換能器的功能，傳感器又可分為單換能器和雙換能器。 下面就單換能器的超聲波傳感器加以介紹。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 圖 超聲波液位計(jì)安裝示意圖 對(duì)于單換能器來說，超聲波從發(fā)射器到液面，又從液面反射到換能器的時(shí)間為： 2ht c? （式 31） 則 2cth? （式 32） 式中： h — 換能器距液面的距離； c — 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。 超聲波液位傳感器具有精度高和使用壽命長的特點(diǎn)，但若液體中有氣泡或液面發(fā)生波動(dòng)，便會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。 本設(shè)計(jì)中采用的是 Yjsonic系列的超聲波液位計(jì)， 在測(cè)量中脈沖超聲波由傳感器（換能器）發(fā)出 ，聲波經(jīng)物體表面反射后被同一傳感器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 工作特點(diǎn)：采用 SMD技術(shù)，提高儀器的可靠性，自動(dòng)功率調(diào)整，增益控制、溫度補(bǔ)償。采用新型的波形計(jì)算技術(shù)，提高儀表的測(cè)量精度。 16位 D/A轉(zhuǎn)換，提高電流輸出的精度和分辨率。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁 圖 超聲波液位計(jì)選型 設(shè)計(jì)中 選用二線制輸出型 液位計(jì) ，其參數(shù)如下： 量程： 0～ 1 20m 精度： % 盲區(qū)： ～ 溫度： 20℃ ～ +55℃ 電源： 24VDC 控制： 無 輸出： 4～ 20mA 二線制 防護(hù)等級(jí)： IP65 顯示方式： 4位 LCD 二、 投入式液位傳感器 投入式液位傳感器是將傳感 器的探頭投入液體中。其示意圖如圖 34所示。其內(nèi)部的功能模塊圖如圖 35。當(dāng)然，有些場(chǎng)所可以使用兩種當(dāng)中的任何一種，也可以同時(shí)使用在同一個(gè)被檢測(cè)對(duì)象 (水倉 )。 二、 水位檢測(cè)裝 置 的選擇 由于煤礦井下的排水系統(tǒng)重要的安全地位，而水位傳感器是整個(gè)排水系統(tǒng)的嗅覺 器官。所以，合理設(shè)計(jì)水位傳感也是很重要的。一般選擇一個(gè)超聲波液位傳感器與一個(gè)投入 式液位傳感器相結(jié)合的方法來檢測(cè)水位。 電機(jī)及水泵溫度檢測(cè) 溫 度 傳感器一般分為接觸式與非接觸式兩大類。 這類溫度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、精度高、穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最多的一類。 通過比較，宜選擇接觸式溫度傳感器測(cè)量溫度比較合適。 Pt100傳感器是利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數(shù)關(guān)系的特性來進(jìn)行測(cè)溫，其溫度 /阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系為： （ 1） 200℃t 0℃ 時(shí)， 230 [1 C ( 10 0) ]tR R At Bt t t? ? ? ? ? （ 式 312） （ 2） 0℃≤t≤ 850℃ 時(shí)， 20 (1 )tR R At Bt? ? ? （ 式 313） 式中， A=10 3； B=10 7； C=10 12。 12VDC 電源提供工作電壓）直接把采集到的電阻變?yōu)?5VDC 輸入到 PLC，經(jīng)過簡(jiǎn)單的計(jì)算就可以得到相應(yīng)的溫度值 。它 可以 串 連一個(gè)電磁指示儀表 。 （ ＋ │t│ ）， B 級(jí) 177。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁 另外， Pt100 溫度傳感器還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。 水泵壓力檢測(cè) 一、應(yīng)變式壓力傳感器原理介紹 應(yīng)變式壓力傳感器主要用來測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力，如動(dòng)力管道設(shè)備的進(jìn)出口氣體或液體的壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的壓力、槍管及炮管內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機(jī)管道的壓力等。 圖 39為膜片式壓力傳感器，應(yīng)變片貼在膜片內(nèi)壁，在壓力 p 作用下，膜片產(chǎn)生徑向應(yīng)變 r? 和切向應(yīng)變 t? ，表達(dá)式分別為： 2 2 223 (1 ) ( 3 )8r p R xhE?? ??? （式 38） 2 2 223 (1 )( )8T p R xhE?? ??? （式 39） 式中： p — 膜片上均勻分布的壓力； R、 h — 膜片的半徑和厚度； X — 離圓心的徑向距離。 根據(jù)以上特點(diǎn)，一般在平膜片圓心處切向粘貼 R R4兩個(gè)應(yīng) 變片，在邊緣處沿徑向粘貼 R R3兩個(gè)應(yīng)變片，然后接成如圖 310的全橋電路。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 +U 0ER 1 + Δ R 1R 3 Δ R 3R 4 + Δ R 4R 2 Δ R 2 圖 全橋差動(dòng)電路 二、 HS956系列薄膜壓力變送器 在本系統(tǒng)中使用了 HS956 系列薄膜壓力變送器。該系列產(chǎn)品技術(shù)獨(dú)特、性能優(yōu)越 ,具有體積小、重量輕、安裝簡(jiǎn)便、能在惡劣環(huán)境長期穩(wěn)定工作的特點(diǎn)，特別適合頻繁沖擊壓力的測(cè)量。 HS956系列薄膜壓力變送器的特點(diǎn)： 穩(wěn)定性高 每年優(yōu)于 177。% 溫度范圍寬 允許介質(zhì)溫度 40～ 125℃ 溫度漂移小 典型溫漂 177。因此適應(yīng)各種工業(yè)測(cè)量場(chǎng)合及介質(zhì)。其中 US為電源電壓 ； 過壓 量程的 120% ； 輸出限制 變送器過壓時(shí)，內(nèi)部限流器輸出電流限制在 25mA以下 ； 溫度范圍 敏感元件工作溫度： 50～ 125℃ ； 電子部件工作溫度：40～ 85℃ ； 濕度范圍 0～ 99% 相對(duì)濕度 。 這些 參數(shù)之間相互結(jié)合可以檢測(cè)出水泵、電動(dòng)機(jī)的性能和工況。水泵出口流量的檢測(cè)有兩種布置方式 : ① 流量檢測(cè)器安裝分別安裝在水泵出口的分支管路上 ， 圖 36所示 。 兩種安裝位置的比較，采用圖 37所示的安裝方式可以滿足需要。 從而可以比較準(zhǔn)確的判斷出各個(gè)水泵機(jī)組的工作特性。軟件中可以通過檢測(cè)干路中的流量總和與所開啟的水泵數(shù)目，可以得到整個(gè)排水泵一電機(jī)機(jī)組的工況。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁 E XNBVS 圖 各個(gè)水泵只安裝一個(gè)流 量 傳感器 一、 電磁流 量 計(jì)工作原理 在工業(yè)中經(jīng)常 使用的大口徑流量計(jì)是電磁流量計(jì)。 電磁流量計(jì)由電磁流量轉(zhuǎn)換器和電磁流量傳感器組成的。電磁流量傳感器是根據(jù)法拉第原理制成的一種流量計(jì)，用來測(cè)量導(dǎo)電液體的流量。磁場(chǎng)方向、電極連線、管道軸線三者之間是相互垂直的。即 E BDv? （式 33） 式中 :B— 磁感應(yīng)強(qiáng)度 (T)； D— 切割磁力線的導(dǎo)體液體的長度 (為管道內(nèi)徑 )(m)； v— 導(dǎo)電液體在管道內(nèi)的平均流速 (m/s )。 中國礦業(yè)大學(xué) 2022 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁 圖 電磁流量傳感器原理圖 二、 電磁流量傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 理論上認(rèn)為磁感應(yīng)強(qiáng)度 B是常量，即直流磁場(chǎng)。正電極被負(fù)離子包圍，負(fù)電極被一層正離子包圍，加大了電極的電阻。同時(shí)內(nèi)阻增加隨被測(cè)液體成分的變化和工作時(shí)間長短而變化，因而使輸出電勢(shì)不固定，影響測(cè)量精度。另外，由于測(cè)量管路處于較強(qiáng)的交流磁場(chǎng)中 ，管壁產(chǎn)生渦流，因而產(chǎn)生二次磁通。且對(duì)于不同直徑的電磁流量計(jì)，其電極、測(cè)量管路都采用不同的材料做成。 ③測(cè)量范圍寬， max min 1500 ? ； ④可以測(cè)量各種腐蝕性液體的流量； ⑤電磁流量計(jì)的慣性小，可以用來測(cè)量脈動(dòng)流量； ⑥對(duì)測(cè)量介質(zhì)，要求導(dǎo)電率大于 。在石油化工、礦冶、煤炭、水利工程給排水、污水處理等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。結(jié)合電磁流量傳感器自身的特點(diǎn)，煤礦井下水泵房采用電磁流量傳 感器檢測(cè)水泵出口的流量是簡(jiǎn)單易行的。由于每臺(tái)水泵的工作曲線特別是使用了一定年限的離心式水泵的流量 /功率、流量 /效率等曲線 有較大的差異，因此無法給出每臺(tái)水泵在工作過程中的流量正常閾值和水泵排出水過少的閾值。雖然電磁流量傳感器在使用、安裝的過程 中比較復(fù)雜，但可以肯定的說，隨著流量傳感器在自動(dòng)排水系統(tǒng)的應(yīng)用，將大大提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。 NSK型負(fù)壓傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)如表所示： 表 NSK型負(fù)壓傳感器的主要技術(shù)指標(biāo) 輸入 0~? 1kPa? 10kPa? 30kPa? 50kPa? 100kPa 過載能力 2